Produção de Energia, Resfriamento e Refrigeração

Prévia do material em texto

19/05/2016 
1 
Profa. Dra. Juliana Fonseca 
1850 – O carvão, o petróleo e o gás natural forneciam 5% 
da energia consumida mundialmente. 
 
Os músculos humanos e animais respondiam por 94%. 
 
Atualmente – 87% de todo o combustível consumido no 
mundo é de origem fóssil 
Combustível fóssil (combustível mineral) → é um grupo de 
substâncias formadas de compostos de carbono, usados para 
alimentar a combustão. São usados como combustíveis, o 
carvão mineral, o petróleo e o gás natural. 
19/05/2016 
2 
Da quantidade total de carvão, petróleo e gás natural até 
agora queimada em benefício da humanidade: 
 
-Menos de 10% foi consumida no século XIX; 
-Mais de 90% no século XX. 
19/05/2016 
3 
Em relação à Energia Elétrica: 
O uso de energia elétrica por classe: 
 
19/05/2016 
4 
Consumo de energia no setor industrial (%) – IBGE (2008) 
Fontes de Energia 1970 1980 1990 2000 2008 
Gás Natural 0,0 0,9 3,2 6,3 10,3 
Carvão Mineral 0,4 1,3 2,3 4,6 4,7 
Lenha 24,0 9,3 12,4 8,7 7,9 
Bagaço de Cana 17,8 12,8 10,5 12,8 18,7 
Outras fontes renováveis 0,8 2,0 3,4 4,9 6,4 
Óleo Combustível 30,3 34,7 15,6 11,6 4,8 
Gás de Coqueria 1,0 1,3 2,0 1,5 1,3 
Coque de Carvão Mineral 6,8 8,5 11,8 10,6 8,1 
Eletricidade 9,8 15,7 22,2 20,6 20,6 
Carvão Vegetal 6,4 9,0 12,5 7,1 6,8 
Outras 2,7 4,5 4,1 11,2 10,4 
Processo de geração de energia com vapor – século XVII 
 
Vapor d’água → fornece grande parte da energia consumida nas 
indústrias – Caldeira. 
Alta pressão → maior eficiência da produção de energia elétrica. 
19/05/2016 
5 
Energia Gerada pelo Vapor 
 
Vapor 
Calor 
Energia Elétrica 
Balanço Térmico 
 
 
 
 
 Calor 
Energia Elétrica 
Sobra 
Trabalho do Engenheiro: equilibrar as exigências de 
energia obtida pela expansão do vapor, com as 
demandas do vapor de descarga da máquina a vapor, 
ou da turbina, de modo a não haver excesso de 
nenhuma delas. 
19/05/2016 
6 
2 tipos principais de caldeiras: 
 
-Tubos de Fogo -Tubos de Água 
 
19/05/2016 
7 
 
 
 
 
- O fogo passa através de tubos; 
- Baixo custo inicial; 
- Reservatório de água quente, relativamente grande; 
- Vantajosa em usinas pequenas; 
- Pode acumular grande quantidade de vapor; 
- São também as caldeiras das locomotivas a vapor. 
A caldeira a tubos de fogo é usualmente de capacidade 
pequena ou média e projetada para gerar vapor de água a 
pressão moderada. 
 
 
 
 
 
-A água fica nos tubos e pode ser convertida a vapor mais 
rápido que nas caldeiras a tubos de fogo; 
- Eficiência mais elevada; 
- Demandam grande massa de evaporação em pressões 
acima de 10 atm; 
- Água de má qualidade: fratura, corrosão, incrustações, 
perda de eficiência, etc. 
Caldeiras a tubos de água - São usadas quase exclusivamente 
em estações estacionárias. 
19/05/2016 
8 
Outras Formas de Transferência de Calor: 
 
Necessidade de aquecimento indireto – outro fluido, nas 
temperaturas acima de 200 °C. 
 
1. Aquecimento a chama direta (acima de 150 °C): baixo 
custo, mas risco de incêndio. 
 
 
2. Aquecimento a chama indireta (acima de 150 °C): baixo 
custo operacional, mas equipamento elaborado e risco 
de incêndio. 
 
 
O aquecimento direto ou indireto, a carvão ou a gás, tem 
uma eficiência surpreendente, quando o forno está bem 
projetado. 
 
A chama exposta, entretanto, constitui risco de incêndio. 
Em condições em que não há carbonização do óleo, este 
meio de transferência de calor é tão empregado que existem 
no mercado fornalhas para o aquecimento do óleo e 
equipamento para a transferência de calor. 
19/05/2016 
9 
3. Óleo quente (150 a 320 °C): bom controle, 
mas investimento inicial elevado e há 
carbonização do óleo. 
 
 
4. Dowtherm (200 a 400 °C): bom controle, custo 
operacional moderado, mas investimento inicial 
elevado. 
 
O Dowtherm (26,5% difenila + 73,5% óxido de difenila) é 
estável em temperaturas mais elevadas que o óleo. 
Pode ser empregado como vapor. 
 
 
5. Vapor de mercúrio (320 a 650 °C): bom controle, 
custo operacional moderado, mas o mais elevado 
investimento inicial. 
 
 
 
 
 
 
O Mercúrio tem muito êxito no 
controle do calor de reação. 
 
19/05/2016 
10 
 
6. Mistura de sais (120 a 480 °C): bom controle e boa 
transferência de calor nas temperaturas elevadas. 
 
Sais inorgânicos: demandas modernas em larga escala, para 
remover o calor de processos de craqueamento de petróleo. 
 
Constituídos por aproximadamente: 
 
- 40% NaNO2 PF = 271 °C 
- 7% NaNO3 PF = 308 °C 
- 53% KNO3 PF = 334 °C 
Fundidos 
7. Aquecimento elétrico (acima de 150 °C): o de 
controle mais exato, mas com o custo operacional elevado. 
 
Eletricidade: mais eficiente, mais cômodo, mais exato, mais 
seguro e mais custoso. 
 
19/05/2016 
11 
3 Classes: 
 
-Sólidos 
(ex.: carvão) 
 
-Líquidos 
(ex.: óleo combustível, derivados do petróleo) 
 
-Gasosos 
(ex.: gás natural) 
 
 
O carvão mineral é um combustível de origem 
fóssil resultante da transformação química do 
soterramento de troncos, raízes, galhos e folhas de árvores, 
sendo que esse processo leva milhões de anos para se 
desenvolver. 
 
O tempo e as condições (pouco oxigênio, pressão da terra, 
altas temperaturas, etc.) que esses vegetais ficam 
depositados, favorecem a formação de uma massa negra 
homogênea, denominada jazida de carvão mineral. 
19/05/2016 
12 
Século XVIII: o carvão mineral passou a ser utilizado como 
fonte energética, substituindo, gradativamente, a lenha, que 
era a principal fonte de energia utilizada pelo homem. 
 
A intensificação do seu uso proporcionou subsídios para o 
desenvolvimento industrial, e o carvão mineral foi essencial 
durante a Primeira Revolução Industrial. 
 
As máquinas movidas a vapor, 
alimentadas pelo carvão, passaram 
a ser comercializadas na Inglaterra 
durante a segunda metade de 
1700. 
Os maiores produtores mundiais de carvão são: 
1º China 
2º Estados Unidos 
3º Austrália 
4º Índia 
 
 
No Brasil (26º) - pequenas reservas de 
carvão mineral, que se localizam nos 
estados da Região Sul. 
Porém, por ser um combustível não renovável, o carvão irá exaurir-se 
na natureza e, de acordo com a AIE, caso se mantenha o ritmo de 
consumo das últimas décadas, isso ocorrerá em menos de 200 anos. 
19/05/2016 
13 
Produção e Consumo no Brasil 
 
Potencial pouco aproveitado - baixa qualidade do carvão, 
que apresenta altos níveis de cinzas e enxofre. 
Porém, é muito usado na obtenção de energia em 
termelétricas. 
Usina termelétrica em Alegrete – RS 
 
Utiliza carvão mineral como fonte de 
energia primária na produção de 
energia elétrica. 
 
O carvão mineral, constituído principalmente por Carbono, 
Oxigênio e Hidrogênio, classifica-se geralmente em 4 tipos: 
 
 
- turfa (com cerca de 60% de Carbono), 
- linhito (70%), 
- hulha ou carvão betuminoso (80 a 85%), 
- antracito (90%). 
 
19/05/2016 
14 
Hulha ou Carvão Betuminoso: 
 
A hulha é o principal combustível utilizado em um alto 
forno, local em que é fundido o minério de ferro para a 
produção do ferro metálico e aço. 
Cerca de 70% destes materiais são 
produzidos pelas usinas siderúrgicas e 
são utilizados na construção de carros, 
pontes, edifícios, casas, panelas, etc. 
 
As indústrias siderúrgicas brasileiras 
importam mais de 14 milhões de 
toneladas anuais, provenientes de 
países como EUA, China, Austrália e 
Polônia.Carvão Pulverizado: 
 
Usado na combustão em suspensão nas instalações 
termoelétricas. 
 
Elevada eficiência térmica com que pode ser queimado. 
 
Baixo custo de operação e manutenção. 
 
Maior flexibilidade. 
19/05/2016 
15 
Na queima do carvão pulverizado, as cinzas são arrastadas 
da fornalha e carregada juntamente com os gases de 
combustão. 
 
Estas cinzas são removidas do gás de chaminé, sendo usada 
em tijolos, em elementos de construção e no concreto. 
 
Concreto Ecológico 
Impactos Ambientais 
 
Liberação de Dióxido de Carbono 
Poluição Atmosférica 
efeito estufa chuvas ácidas 
Outros agravantes: 
 
- descartes de resíduos sólidos; 
- riscos durante sua exploração nas jazidas. 
19/05/2016 
16 
Combustível Líquido 
 
O óleo combustível é o combustível líquido comercial mais usado 
na geração de energia industrial. 
 
É uma fração do óleo cru que não pode ser convertida, 
economicamente, na refinaria, a produtos mais valiosos, como a 
gasolina. 
 
 
 
 
 
 
O óleo combustível derivado de 
petróleo é também chamado óleo 
combustível pesado ou óleo 
combustível residual. 
A composição complexa dos óleos combustíveis depende do 
petróleo que os originou e do tipo de processo e misturas que 
sofreram nas refinarias, de modo que pode-se atender às várias 
exigências do mercado consumidor numa ampla faixa de 
viscosidade. 
19/05/2016 
17 
Largamente utilizado na indústria para aquecimento de fornos e 
caldeiras e em motores de combustão interna para geração de 
calor. 
 
A escolha do óleo combustível como fonte energética em 
equipamentos industriais prevê o máximo de eficiência possível 
na queima dos mesmos. 
 
O equipamento de queima de óleo apresenta, em geral, 
eficiência mais elevada (75%) do que as caldeiras a carvão. 
 
Os custos de mão de obra são usualmente baixos. 
 
Entretanto, a perda de calor produzido pela combustão do 
hidrogênio do combustível é cerca de 2 x mais alta que as perdas 
no carvão betuminoso. 
Outros combustíveis líquidos: 
 
Alcatrão 
Óleo de alcatrão (creosoto) 
Querosene 
Benzina 
Álcool 
 
Consumidos em quantidade muito menor que o óleo 
combustível. 
19/05/2016 
18 
 
 
 
 
 
 
É uma fonte energética encontrada na natureza em duas 
formas distintas: 
 
- Jazidas 
- Decomposição da matéria orgânica 
O gás natural é composto por uma mistura de 
hidrocarbonetos leves (metano, etano, 
propano, butano e outros gases em menores 
proporções) que submetido à temperatura 
ambiente e pressão atmosférica permanece 
no estado gasoso. 
O gás natural encontrado em jazidas normalmente está associado 
ao petróleo. 
 
 
 
 
 
 
 
Constitui reservas finitas, e, conforme pesquisas realizadas pela IEA 
(Agência Internacional de Energia), caso se mantenha o ritmo de 
consumo médio da última década, as jazidas de gás natural irão se 
esgotar em 100 anos. 
19/05/2016 
19 
 
Essa fonte energética agride menos o meio ambiente que o 
petróleo e o carvão mineral. 
 
No entanto, por ser de origem fóssil, sua combustão 
contribui para o efeito de estufa. 
 
Já o biogás, obtido através da biomassa, é um combustível 
renovável, sua utilização é menos impactante e os custos 
econômicos são menores. 
As tubulações responsáveis pelo envio de gás natural das 
fontes produtoras são os gasodutos. 
 
O Brasil possui uma extensa malha de gasodutos. 
19/05/2016 
20 
Depois de tratado e processado, o gás natural pode ser 
utilizado nas indústrias, residências, automóveis e comércio. 
 
Nas indústrias, sua utilização ocorre, principalmente, para a 
geração de eletricidade. 
19/05/2016 
21 
Termoelétrica 
Com o Gás Natural também é possível fazer a geração de 
energia elétrica em uma central térmica ou termoelétrica. 
A geração é feita através da queima do gás natural nas 
turbinas que acionam os geradores de energia. 
19/05/2016 
22 
Vantagens das termoelétricas movidas a gás natural: 
 
Baixo impacto ambiental (produzem "energia limpa") 
Podem ser construídas próximo aos centros de consumo 
São mais seguras do que as termelétricas convencionais 
São economicamente mais vantajosas 
Pode ser construída em menos tempo e com menor 
investimento, se comparadas às convencionais 
Necessitam de menos empregados para o seu 
funcionamento 
Tendências globais no uso de energia 
19/05/2016 
23 
 
 
Aquecimento global 
Produção de energia limpa 
Reaparece a Energia Nuclear 
O que é? 
 
Uso controlado das reações nucleares para a obtenção de 
energia para realizar movimento, geração calor e 
eletricidade 
 
Ocorre espontaneamente em alguns elementos; em outros 
se deve provocar a reação mediante técnicas de 
bombardeamento de nêutrons ou outras. 
Fissão 
Fusão 
 
19/05/2016 
24 
Elementos mais usados como fonte de energia 
 
Tório 
 Fissão assistida 
 
 
Urânio 
 Atualmente mais usado 
 
Actínio 
 Altamente radioativo, com radioatividade 150 vezes 
maior do que o urânio 
 
Vantagens 
Menos Poluente 
19/05/2016 
25 
Vantagens 
Pouco espaço para construção 
 Usina Nuclear de Angra dos Reis 
Vantagens 
Menor quantidade de material 
19/05/2016 
26 
Desvantagens 
Desvantagens 
 
Desenvolvimento de Armas de Destruição em massa. 
 Hiroshima e Nagasaki 
 
 
Vasamento nuclear. 
Goiânia 
Three Miles Island 
Chernobyl 
19/05/2016 
27 
 
A energia hidrelétrica é a obtenção de energia elétrica 
através do aproveitamento do potencial hidráulico de um 
rio. 
 
 
Para que esse processo seja realizado é necessária a 
construção de usinas em rios que possuam elevado volume 
de água e que apresentem desníveis em seu curso. 
19/05/2016 
28 
19/05/2016 
29 
 
 
Embora evitem a queima de combustíveis fósseis, as 
hidrelétricas não são tão sustentáveis quanto se apregoa. 
 
Elas provocam alterações climáticas, afetam a 
biodiversidade, a vida das comunidades do entorno e 
aumentam a emissão de gás metano, que tem um potencial 
de aquecimento 60 x maior que o do CO2, entre outros 
impactos. 
Provém do aproveitamento das ondas oceânicas. 
 
É uma energia "limpa", isto é, sem quaisquer custos para o 
ambiente. 
 
19/05/2016 
30 
O interior da Terra é muito mais quente que a superfície. 
Esta diferença de temperaturas pode ser aproveitada para a 
transformação em outros tipos de energia. 
 
19/05/2016 
31 
 
Dispositivos de conversão de energia que geram eletricidade 
e calor pela combinação eletroquímica de um combustível 
gasoso e um gás oxidante por meio de eletrodos, através de 
um íon eletrólito condutor. 
 
 Grande importância  exaustão de reservas de combustíveis 
naturais 
 
energia mais limpa e sustentável 
calor calor 
Célula a Combustível 
Não necessita de recarga 
 
Conversões muito + eficientes 
que os sistemas termo-
mecânicos 
 
Dispositivos silenciosos 
19/05/2016 
32 
em sistemas portáteis em pequena escala 
BANCOS, HOSPITAIS, ESCOLAS, ETC. 
Chevy Volt (Chevrolet – lançamento 2010) 
Custo entre US$ 30.000 e 40.000 Fuel-Cell-Bike - Pearl Hydrogen 
25 km/h e autonomia de 100 km 
US$ 2.600  US$ 500 
Notebook - Samsung 
Aspirador de Pó 
Células a Combustível com Membrana de Troca de Prótons – 
PEMFCs 
 
São fontes de energia limpa e eficiente, devido a: 
 
 - Elevada densidade de energia - Baixo peso 
 - Emissões relativamente baixas - Compactas 
 - Silenciosas - Resposta rápida
 - Baixa temperatura de operação 
 
 
19/05/201633 
H2  combustível ideal para as PEMFCs 
 elevada densidade energética (120 MJ/kg) 
 combustível pouco poluente 
 
 
Diesel, Gás Natural, Metanol e Biomassa 
- Ausência de uma infraestrutura mundial de transporte e 
distribuição 
- Problemas na estocagem 
 Alternativas de produção de H2 em um processador a 
bordo 
• Etanol 
• Biodiesel 
• Gás Lenha 
• Lenha Térmica 
• Biocarvão 
• Etanol/Metanol 
• Papel/Celulose 
• Biocombustíveis 
Cana/Milho 
Soja/Mamona 
Floresta 
Biomassa 
19/05/2016 
34 
19/05/2016 
35 
 
Um aerogerador é um gerador elétrico no eixo de um 
catavento (é um dispositivo que aproveita a energia dos 
ventos para acionar um gerador de corrente elétrica). 
 
Primeiras utilizações de energia eólica : 
 
Descobertas arqueológicas de embarcações em 4.000 a.C. 
 
Por volta de 1.000 a.C. os fenícios, pioneiros na navegação 
comercial, se utilizavam de barcos movidos exclusivamente a 
força dos ventos. 
 
As embarcações a vela dominaram os mares durante 
séculos, até que o surgimento do navio a vapor, em 1807 
veio dividir este domínio. 
19/05/2016 
36 
Localização de Projetos Eólicos no Brasil 
0.3MW - FN/PE 
0.3MW - PE 
10 MW - CE 
5 MW - CE 
1,2 MW - CE 
2,5 MW - PR 
1 MW - MG 
 
Em operação: 20,3 MW 
 
Primeira Usina Maremotriz - 1966 
Estuário do rio Rance – França 
Diferença de altura média: 8,2 m 
 Potencia: 240 MW 
As marés que animam os oceanos 
é fonte de energia mecânica, 
limpa e inesgotável que pode ser 
captada por turbinas para gerar 
eletricidade. 
19/05/2016 
37 
 
Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, 
eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são 
formas indiretas de energia solar. 
 
 
 
 
Entre os vários processos de aproveitamento da energia 
solar, os mais usados atualmente são o aquecimento de 
água e a geração fotovoltaica de energia elétrica. 
19/05/2016 
38